Wie Batterien altern
Untersuchung von Altbatterien zeigt: Mechanischer Druck erzeugt lokale Überladung.
Die Nutzung von Elektrofahrzeugen steigt kontinuierlich an, entsprechend auch der Bedarf nach sicheren, langlebigen und zuverlässigen Energiespeichern. Die Hersteller fokussieren sich daher auf die Entwicklung von Batterien mit längerer Lebensdauer und größeren Reichweiten. Doch um mögliche Gegenmaßnahmen ergreifen zu können, müssen zunächst die Ursachen für Alterung und nachlassende Leistung von Batterien geklärt werden.
Ab einer Restkapazität von achtzig Prozent zeigen die meisten Batterien eine Änderung ihres Verhaltens: Ihre Leistungskurve erfährt einen deutlichen Knick und die nichtlineare, rapide Alterung beginnt. Um die Gründe für diesen Alterungsprozess herauszufinden, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung Altbatterien aus der ersten Elektrofahrzeug-Generation untersucht und mit eigens gefertigten Laborzellen gleicher Bauweise verglichen. Sowohl die gebrauchten Batterien als auch die laborgefertigten Zellen – die einer kontrollierten, schnellen Alterung unterzogen wurden – durchliefen verschiedene mechanische, thermische und chemische Tests, deren Ergebnisse die Wissenschaftler anschließend für die Analysen der Zellveränderungen nutzten. Um eine ortsaufgelöste Untersuchung zu ermöglichen, wurden die kleinen Laborzellen aus verschiedenen Teilen der Elektroden gebaut.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass kurz vor dem Leistungsknick kleine Bereiche der Kathode starke Beeinträchtigungen in Form eines metallischen Lithiumschleiers – das Lithium-Plating – aufweisen. Während die positive Elektrode kaum Veränderungen zeigt, ist die negative Graphitelektrode durch Mikrorisse, Ablagerungen und das Lithium-Plating beeinträchtigt. Da das Plating teils irreversibel ist, greift der Vorgang im weiteren Verlauf auf benachbarte Bereiche über und die Batterie erreicht schließlich ihr Lebensende.
Für das Abscheiden von Lithium an der Kathode und den damit verbundenen Leistungsknick sind insbesondere zwei Faktoren entscheidend: Zu schnelles Laden führt zur Abscheidung von Lithium-Metall, sodass für weitere Ladezyklen immer weniger Lithium zur Verfügung steht. Zudem konnten die Wissenschaftler mittels Computertomographie feststellen, dass die anfänglich betroffenen Bereiche durch einen Ableiter stärker komprimiert wurden als der Rest der Batterie. Daraus ließ sich schließen, dass der mechanische Druck eine lokale Überladung erzeugt, die zu massivem Lithiumverlust führt und diesen Bereich zerstört. Somit verstärkt oder verzögert ein entsprechendes Zelldesign den Alterungsprozess. Solche mechanisch nicht ausgereiften Batterien sind für eine mögliche Zweitverwendung – beispielsweise als stationäre Energiespeicher – ungeeignet.
Um das Lithium-Plating zu verhindern, können beispielsweise Batteriezellen gebaut werden, deren Ableiter so angebracht wird, dass lokale Verspannungen und Druckspitzen vermieden werden können. Da auch zu hohe Laderaten, zu hohe Entladetiefen und zu niedrige Temperaturen den Alterungsvorgang beschleunigen, sollte darüber hinaus der Ladevorgang genau gesteuert werden, sodass Ladetemperatur, -geschwindigkeit und -spannung kontrolliert ablaufen.
Fh.-ISC / RK
